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La statica è la scienza che studia la carica elettrica nei corpi.

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É il grande nemico invisibile dei componenti elettronici Tutti i dispositivi elettronici sono estremamente sensibili alle cariche elettrostatiche ( ESD - ElctroStatic Discharge) e possono venirne danneggiati. E, poichè non si vede, siamo portati a non considerarla adeguatamente (anche ammesso che ne conosciamo l' esistenza).

E, infatti, per la maggior parte delle persone, anche operanti nel settore dell' elettronica e dell' elettricità in generale (purtroppo !!!) l' elettricità statica è un fenomeno sconosciuto e di nessun riguardo.

Tipico il vedersi consegnare dal negoziante le DIMM di memoria del PC legate con un elastico o avvolte in carta di giornale (sic!) o i chip estratti dalla confezione antistatica e venduti in un sacchetto di carta, se non di plastica qualunque !

Nonostante la presenza di simboli di avvertimento come quello a lato.

E non parliamo del come si maneggiano chip, schede, HDD ed ogni genere di materiale elettronico, non solo nelle botteghe dei computerivendoli, ma perfino nei laboratori e nei centri di assistenza.

Per cui è il caso che si dia una qualche informazione in merito.

L' elettricità statica é prodotta generalmente per strofinamento di materiali isolanti: a tutti sarà capitato di "prendere la scossa" scendendo dalla macchina o vedere o sentire schioccare scintille elettriche nel togliersi un indumento di materiale sintetico, soprattutto in ambiente o con clima secco.
La tensione che produce queste antipatiche "scintille" in relazione al corpo umano può raggiungere valori di tensione estremamente alti, anche decine di migliaia di volt.
Fortunatamente, questo avviene con energie minuscole, tali appunto da produrre la sensazione di"scossa" e basta (ma non sempre...).

Questo fenomeno é stato osservato e descritto fin dall'antichità.

I greci effettuarono esperimenti in tal senso strofinando pezzi di ambra gialla, dal cui nome greco elektron, prende il suo nome la nostra elettricità.

Chiunque può ripetere l' esperimento sfregando sul maglione la cannuccia della BIC che poi "attrarrà" minuscole particelle di polvere o di carta.

Chi ha fatto un istituti tecnico industriale o un liceo, ha visto nel laboratorio di fisica ed elettrologia le macchine statiche che dal XV secolo sono state usate per i primi esperimenti elettrici, come la macchina di van de Graaff o quella di Wimshurt.

Queste macchine sono ancora costruite oggi e sono acquistabili senza difficoltà dalle aziende specializzate che producono oggetti per i laboratori e per istruzione, come quelle nelle immagini qui sopra . Per curiosità, la macchina di van de Graaff non è un oggetto del XVIII o XIX secolo, ma è stata ideata dal fisico Robert van de Graaff nel ben più recente 1929.

Se si fa riferimento al modello tipico dell' atomo di Bohr (nucleo con elettroni che ruotano intorno, tipo sistema solare), si può ipotizzare che la superficie di un materiale sia costituita dalle orbite esterne degli elettroni che appartengono agli atomi superficiali; lo sfregamento meccanico di due superfici asporta, o aggiunge, elettroni a questo strato, alterandone la carica elettrica .

Questo movimento di cariche per azione meccanica si chiama triboelettricità, da tribos che significa sfregare.

Questo accumulo o carenza avviene sui materiali isolanti dove la circolazione degli elettroni é fortemente limitata, mentre nei materiali conduttori il fenomeno non é presente per il rapido riassestamento degli elettroni. Siccome si tratta quindi di un accumulo di cariche elettriche superficiali, dove l'energia é, di solito, piuttosto bassa, esso si estingue rapidamente per conduzione nell' atmosfera o sulle superfici contigue, sopratutto in presenza di umidità (che migliora le caratteristiche conduttive).

Un esperimento tipico per "vedere" l'elettricità statica é, come abbiamo detto, quello di preparare piccolissimi pezzi di carta o trucioli secchi e strofinare con forza la cannuccia di una biro tipo Bic sulla manica del maglione: la cannuccia, caricata elettricamente, attirerà le pagliuzze come una calamita; questo é un effetto dell' elettricitá statica.

O quello di attaccarsi ad un generatore elettrostatico di qualche milione di volt ...

Anche se sembra paradossale, vista la tensione in gioco, la cosa, fatta con le dovute procedure, non presenta alcun pericolo, come avviene in questo museo interattivo della tecnologia.

I capelli, caricati ognuno della stessa polarità, si allontanano tra di loro, respingendosi come le lamelle del voltametro a foglia d' oro.

Un percorso obbligato di uscita dalla macchina, poi, annulla la carica elettrostatica senza rischio per i visitatori.

Un esempio di triboelettricità é quella che si forma sulle auto, tipicamente in giornate secche e ventose, e che si scarica a terra nel momento in cui scendiamo e tocchiamo il suolo con i piedi, rifilandoci la classica e odiosa scossetta; questa carica elettrica, che può raggiungere diverse decine di migliaia di volt, si forma per lo sfregamento della carrozzeria con l' atmosfera durante il movimento e/o per lo scivolamento di cinghie o parti rotanti. La carica resta accumulata sulla superficie dell' auto (che è in sostanza una macchina di van de Graaff), dato che essa è isolata da terra dai pneumatici e si scarica a terra in un tempo più o meno lungo: molto breve se forniamo noi il ponte a terra quando scendiamo ...

Esistono modi per evitare l' accumulo delle cariche sulla carrozzeria, come la classica bandella o catenella conduttiva: quando l' auto è in movimento, la resistenza dell' aria la solleva dal suolo, limitandone l' abrasione; quando l' auto si ferma, la bandella conduttiva tocca terra ed elimina la carica accumulata sulla carrozzeria.

Anche quello a lato potrebbe essere un metodo, uno dei più originali finora visti, anche perchè andrebbe valutata la resistività del circuito cane-guinzaglio...

Il già accennato crepitio e le scintille che si provocano sfilandosi maglioni di lana su altri capi sintetici ha la stessa natura triboelettrica.
Altro fenomeno dipendente dalle cariche elettriche è la sensazione di stiramento della pelle (in realtà dei peli) avvicinando la mano allo schermo del televisore (CRT), in cui è presente una tensione di decine di migliaia di volt.

Ma cariche statiche si formano ovunque, anche solo per il fatto che ci muoviamo, camminiamo, c'é vento , ecc. Se avessimo sotto mano un apparecchio misuratore, potremmo vedere che operazioni semplici come stare alla scrivania e battere i tasti del computer o lavorare al banco o camminare (sopratutto su moquette sintetica) ci carica di tensioni tra il centinaio e le migliaia di volt. E il camminare su una moquette sintetica non antistatica può generare tensioni di 35 kV.
Come detto, queste tensioni sono portatrici di energie molto ridotte e, in presenza di condizioni conduttive dell' atmosfera o del corpo (umidità) si formano e si scaricano continuamente senza che noi ce ne accorgiamo.

In cosa consiste, allora, il rischio ?

I nostri sensi non ci permettono di rilevare la presenza di elettricità statica. E la maggior parte delle cariche statiche che collaboriamo a formare si dissipa naturalmente senza che neppure ce ne accorgiamo. L' unico caso in cui ne prendiamo "visione" è quando l' energia accumulata è sufficiente a produrre qualche effetto visibile-udibile: l' attrazione di peli e capelli, le scintille e gli scoppiettii, se non la "scossetta" !
Ed allora é troppo tardi per i delicati circuiti elettronici che hanno capacita di isolamento di qualche decina di volt contro le decine di migliaia producibili semplicemente strofinando due pezzi di fibra sintetica.

Va compreso bene il problema: la carica statica è costituita da una sola polarità (troppi elettroni - carica negativa, pochi elettroni - carica positiva), accumulata su una superficie e che ha come controparte il resto della Terra. Finchè siamo seduti nell' auto, anche noi facciamo parte della carica e non abbiamo alcuna sensazione. Ma nel momento in cui poggiamo un piede a terra e tocchiamo la carrozzeria, dove si è concentrata la maggior parte della carica, facciamo un ponte conduttivo a terra e la carica si "scarica" attraverso di noi. Anzi, date le tensioni in gioco, non occorre neppure che si tocchi la carrozzeria: basta avvicinarsi tanto che la tensione sia superiore alla rigidità dielettrica dell' aria e così scocca la scintilla.

Le immagini qui sopra danno l' idea di cosa avvenga all' intervo dei chip, costituiti da strati di spessore atomico di materiali conduttori, nel momento in cui, carichi di elettricità statica, ne tocchiamo uno dei pin mentre altri pin sono in qualche modo connessi a terra. E questo "qualche modo" comprende anche il fatto prendere in mano il chip che era appoggiato sul tavolo di lavoro.

All' interno del semiconduttore le alte tensioni, sia pure con bassissime potenze, danno origine alla rottura degli strati isolanti e quindi alla distruzione di tutto o parte del chip.

Poichè manca la conoscenza del fenomeno, i guasti dovuti alle cariche elettrostatiche sono catalogati come casuali o DOA (Dead On Arrive), dato che all' esterno dei componenti non si nota alcuna variazione e solo con una analisi microscopica del chip è possibili rilevare il danno, che non è dipeso dal costruttore, ma dalla nostra imperizia.

Molti componenti elettronici sono sensibili al problema, principalmente quelli con gate isolato o con elevate impedenze di ingresso, come MOSFET, JFET, CMOS, NMOS e quindi RAM, Flash, EEPROM, microprocessori.
Non lo sono, ovviamente, i componenti passivi, come resistenze, bobine, ecc e lo sono poco componenti discreti come diodi, transistor a giunzione, ecc.
E non tutti i componenti sono sensibili allo steso modo: questo dipende dal processo produttivo; una normativa MIL (MIL-STD-1686) stabilisce una graduatoria del rischio elettrostatico.
L' indicazione vale anche per prodotti completi, come schede e periferiche per computer, sopratutto se hanno la possibilità che la mano dell' operatore venga a contatto con i circuiti stampati o i connettori.

Nel semiconduttore si possono creare tre tipi di guasto:

un breakdown termico (Thermal Breakdown) con fusione del materiale

una perforazione di uno strato isolante (Dielectric Breakdown)

un danno agli strati metallici (Metallization Melt)

Differenti dispositivi sono sensibili all' ESD, in modo diverso a seconda del processo costruttivo.

Elemento

Tipe

Rischio ESD [V]

Guasto

Indice

Strutture MOS

CMOS

250-3000

Dielettrico

Corto circuito

Semiconductor a giunzione

MOSFET
diodi Schottky

100-200, 300-2500

Termico

Corto circuito

Film Resistors

Thin & Thick

300-3000

Dielettrico

Cambiamento di valore

Metallization Strips

IC Ibridi e Monolitici

190-2500

Metallizazione

Interruzione

Altre giunzioni

LED, diodi Tunnel, diodi PIN

300-2500

Termico - Dielettrico

Malfunzionamento, Interruzione

I componenti a rischio sono contrassegnati da simboli di uso universale, di solito di colore giallo, che specificano la necessità di adottare le opportune misure antistatiche prima di aprire la confezione del componente o della scheda.

Le stesse confezioni, scatole, buste, pacchetti, sono realizzate in plastiche caricate con fibre conduttrici (carbonio, da qui il colore nero, o simili) in modo da fornire una protezione efficace.
E tutti conosceranno, si spera, quella spugna nera o rosa in cui sono piantati i chip e che non serve solo a proteggere meccanicamente i pin, ma è materiale antistatico conduttivo.

Non occorrono tute spaziali o altre diavolerie inconsuete. Basta che ci si sia resi conto dell' esistenza del problema e dei concetti ad esso collegati.

Tutto quanto detto qui non vuol dire che solo esperti specialisti posso installare una nuova scheda nel PC , ma solo che occorre prendere atto dell'esistenza di una qualche differenza tra un mattone ed una scheda madre per PC !

Volendo fare un esempio pratico del concetto: tutti noi usiamo bicchieri di vetro e (si spera) ne rompiamo ben pochi, perché sappiamo che il maneggiarli richiede precauzioni diverse da quelle che si adottano per una forchetta; immaginiamo qualcuno che fino ad ora ha utilizzato solo bicchieri di plastica o di legno e proviamo a dargli in mano il bicchiere di vetro, oppure ad un bambino piccolo che manca di esperienza, e noteremo un immediato aumento della mortalità dei bicchieri!

Con questo é evidente che chi usa bicchieri di vetro non é un mago e l' altro uno stolto; solamente il primo ne conosce i limiti e li maneggia in modo diverso da quelli di plastica.
E quindi chiunque, conoscendo i limiti del materiale, può usare bicchieri di vetro senza romperne alcuno.

La procedura corretta per maneggiare schede e componenti elettronici è la seguente :

non indossare abiti con tessuto sintetico , scarpe con suole di gomma e non operare in ambiente molto secco . Ideali sono : scarpe in cuoio o almeno con la suola di cuoio, se non scarpe antistatiche (le vendono anche nei brico center), abiti non sintetici, di cotone o lino e un ambiente ad umidità controllata.

non lavorare in ambienti con pavimenti di moquette o tappeti sintetici. Se si desidera, esistono comunemente moquette definite "antistatiche" e che presentano nella trama materiali conduttori che riducono o annullano le cariche statiche.

avere particolare cura nei giorni secchi e ventosi , dove il pericolo del formarsi di cariche elettrostatiche é più forte: indice della situazione di pericolosità é la scarica ricevuta scendendo dall' auto.

conservare le schede e le parti non a caso nei cassetti o, peggio, in contenitori di plastica o polistirolo, ma nei loro imballi antistatici originali fino al momento dell' uso. Evitare di aprire le confezioni, estrarre le parti ed abbandonarle in un luogo qualsiasi non protette fino al momento dell' uso.

non toccare inutilmente i contatti e i pin dei dispositivi, non smanacciarli inutilmente: sono "di vetro", non "di legno" !
Evitare assolutamente di prendere in mano i componenti e le schede e rigirarli, ammirandoli compiaciuti: chi lo fa non ha il minimo concetto di cosa é un componente elettronico !!!

lavorare in condizioni di sicurezza, scaricando l' elettricità statica eventualmente accumulata con un opportuno bracciale antistatico, reperibile presso rivenditori di materiale elettronico oppure toccando un elemento metallico sicuramente a terra (termosifoni, tubi dell'acqua ).

Per la calma e la buona salute nervosa del personale Tecnico dei Centri di Assistenza, evitate di arrivare dicendo "non funziona" ed estrarre la SIMM o il BIOS dalla tasca o dalla borsa dove sta assieme al pacchetto di sigarette oppure la mainboard dal sacchetto del supermercato: non é proprio il caso! Vuol dire non aver capito nulla del problema. Non inviare in Assistenza schede avvolte (però con molta cura ...) nella carta da cucina, in un sacchetto di plastica qualunque, in quella di giornale o simili piacevolezze, che indicano la più completa ignoranza delle minime precauzioni per il trattamento dei componenti elettronici e costringono a considerare altrettanto opzionale la Garanzia. I sacchetti e i contenitori antistatici sono facilmente riconoscibili.
Materiale sensibile all'elettricitá statica che arriva ad un Centro Assistenza senza una opportuna protezione, verrá sicuramente e giustamente respinto.

Rifiutate con cortesia, ma fermezza, componenti elettronici che il venditore vi porge con un sorriso, ma avvolti nel cellofan o così, brevi manu, legati con l' elastico. Sarà un buon venditore, ma è meglio che si dedichi alle patate (e peggio per le patate...).

Per spedire o conservare una scheda, un disco rigido, un chip, utilizzate i sacchetti originali. Non sono sacchetti di plastica qualunque, quindi possibili generatori di cariche statiche, ma sono trattati o composti con materiali anti statici, specifici per questo scopo .

Cosi pure per conservare chip non piantateli in un pezzo di polistirolo, lodevole precauzione per conservare i pin in ordine, ma pessima idea in quanto il polistirolo é un buon isolante e un buon target per le cariche statiche; non disponendo della particolare spugna nera anti statica, ricoprite almeno il polistirolo con uno strato di foglio di alluminio (quello che si usa in cucina) che, essendo conduttore, formerá almeno un piano equipotenziale tra i pin, evitando la formazione di cariche dannose .

Usate apparecchiature messe a terra.
Assicuratevi che l' impianto che state usando ha la messa a terra in regola: se così non fosse, non solo sono in pericolo i vostri chip, ma siete in pericolo mortale anche voi, oltre fuori legge.

Per la pulizia di superfici sono disponibili liquidi con effetto anti statico, che si consiglia vivamente di usare e che si trovano praticamente in tutti i brico, centri commerciali o sul WEB.

Usate attrezzi antistatici, pompette dissaldatrici antistatiche, ecc.

E, anche se non ha a che fare con l' elettricità statica, ma con la bassa tensione di rottura delle giunzioni dei semiconduttori, il saldatore deve essere a bassa tensione, con terra di protezione; se manca questo, non appena la punta tocca pista del circuito stampato e pin del componente per fare la saldatura, la corrente di dispersione dell' apparecchio, senza terra e collegato direttamente alla rete, ha la ottime possibilità di danneggiare il componente.

E, sopratutto, badare alle etichette con i simboli gialli prima visti: se il Costruttore ha fornito il componente in una confezione dove appare questa etichetta ha le sue valide ragioni: evitiamo di distruggere per trascuratezza l' oggetto appena acquistato o ricevuto.

Per verificare se è tutto chiaro, ecco un piccolo quiz.
Provate a spiegare perchè Si e perchè NO: cosa non va nel maneggiare i componeiti come nelle foto qui sotto ?

Ecco le risposte:

1. Nel prendere in mano un semiconduttore cercare di NON toccarne i pin

2. Come sopra

3. Prendendo in mano un dispositivo elettronico, cercare di non toccare i componenti sulla scheda

4. Conservare gli integrati sulle speciali spugne antistatiche e MAI conficcati nel polistirolo !

5. Usare saldatori adeguati e specialmente MAI saldatori a spira chiusa

Esistono abiti, scarpe, strumentazione, tappeti, piani di lavoro, apparecchiature e misuratori a norme contro l' elettricità statica, ma solitamente si tratta di oggetti troppo costosi, riservati alle aziende e ai professionisti.

Strap antistatico per calzature

Tappeto antistatico

Strumentazione

Abiti antistatici

Nel laboratorio amatoriale, però si può e si deve fare qualcosa, sopratutto se si è certi di maneggiare materiali che sono soggetti al rischio dell' elettricità statica.
E in questa categoria rientrano i circuiti integrati, le SIMM e i chip di memoria, i processori, alcuni transistor per alta frequenza o bassi segnali.
E, cosa che ben pochi sanno, perfino alcuni tipi di LED, principalmente quelli ad alta luminosità (superbright) sono molto sensibili al rischio.
Le semplici regole elencate qui sono più che sufficienti, se si è capito cosa è questa elettricità statica.

Va detto che i costruttori di semiconduttori hanno messo in campo varie tecnologie per proteggere i loro prodotti dall' ESD.

Quindi, in generale, danni da elettricità statica, se si impiegano le precauzioni di cui sopra, sono eventi molto rari.

Maggiore cura dovrà essere dedicata da chi utilizza componenti molto sensibili al problema, come transistor RF, MOSFET RF, LED superbright, LED Laser, CCD, ecc.
Qui è opportuno avere almeno un bracciale antistatico, che va collegato a terra.

Bracciali di questo genere sono acquistabili a costi contenuti presso i negozi che vendono elettronica.

UNA SERIA AVVERTENZA:
Questi bracciali NON sono dei semplici fili conduttori che collegano il corpo a terra.
Se così fosse si tratterebbe di una via per cercare il suicidio, in quanto un contatto fortuito con una parte sotto tensione darebbe una via ottimale per una bella scarica a terra, con relativa fulminazione.
Invece si tratta di scaricare a terra le cariche elettrostatiche. E queste non hanno necessità di circuiti a bassa resistenza: le alte tensioni in gioco, con le piccole correnti disponibili, si scaricano tranquillamente attraverso una resistenza (da 1 a 10 Mohm) che è posta in serie al bracciale e che evita la possibilità di una scarica dannosa per l' organismo.
Quindi, chi fosse intenzionato a risparmiare i pochi euro del bracciale e volesse auto costruirselo, badi molto bene a cosa sta facendo e inserisca in serie al filo verso terra un bel 10 Mohm 1/2 W.

Per concludere, ci si deve ricordare che, come per tutte le cose, anche il problema dell' elettricità statica NON deve diventare una fissazione.
Come non tremate e temete il peggio tutte le volte che prendete in mano un calice di cristallo o un coltello molto affilato, perchè sapete come maneggiarli (almeno, si spera..), così pure, sapendo di cosa si tratta, anche adottare semplici precauzioni anti statiche diventa una azione automatica.

Anche perchè c'è da far notare che ormai buona parte dei componenti elettronici è realizzata con tecnologie che permetto una certa resistenza a tensioni statiche e che per assassinare elettrostaticamente in chip o un HDD bisogna metterci un po' di impegno (cosa che, purtroppo, non manca a chi vuole ignorare a tutti i costi...).

Se la carica elettrostatica va a finire dove non deve, come abbiamo cercato di descrivere, sì.
E non solo nell' elettronica: attività industriali che trattano materiali infiammabili o esplosivi devono prendere misure anti statiche molto severe. Addirittura realizzare macchinari con materiali antistatici o legno, come nella fabbricazione degli esplosivi.

Però, come tutte le cose della tecnica, c'è un aspetto positivo; anche l' elettricità statica trova applicazioni utili, come ad esempio:

nelle fotocopiatrici, per fare aderire il toner alla carta

nella verniciatura a polveri

nei filtri antipolvere

nella ricerca scientifica

.

Sull' argomento è utile consultare i filmati offerti da Microchip (in inglese):

E anche la documentazione offerta da MAXIM a http://www.maxim-ic.com/app-notes/index.mvp/id/4429
e, analogamente, da molti altri Costruttori di semiconduttori.

E alcune pagine sul problema dell' elettricità statica per i LED:

http://www.hyledchina.com/Support/#3
http://www.rohm.com/products/databook/dp/pdf/torityu_matrix.pdf

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É il grande nemico invisibile dei componenti elettronici Tutti i dispositivi elettronici sono estremamente sensibili alle cariche elettrostatiche ( ESD - ElctroStatic Discharge) e possono venirne danneggiati. E, poichè non si vede, siamo portati a non considerarla adeguatamente (anche ammesso che ne conosciamo l' esistenza).